Вопрос 6 Сетевые устройства локальных сетей: мосты и коммутаторы

Коллективное использование компьютерами общей кабельной системы в режиме разделения времени приводит к существенному снижению производительности сети при интенсивном трафике. Общая среда перестает справляться с потоком передаваемых кадров и в сети возникает очередь компьютеров, ожидающих доступа (наиболее страдают от перегрузок трафика сети Ethernet с методом случайного доступа к среде). Эта проблема может быть решена путем логической структуризации сети с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов.

 

 

Рисунок 23 — Логическая структуризация сети

 

Мост (bridge), а также его быстродействующий функциональный аналог — коммутатор (switch), делит общую среду передачи данных на логические сегменты, передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима, т.е. если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Тем самым мост/коммутатор изолируют трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность передачи данных в сети. Локализация трафика не только экономит пропускную способность, но и уменьшает возможность несанкционированного доступа к данным, т.к. кадры не выходят за пределы своего сегмента и их сложнее перехватить злоумышленнику.

Областью действия мостов и коммутаторов является канальный уровень.

Разница между мостом и коммутатором состоит в том, что мост в каждый момент времени может осуществлять передачу кадров только между одной парой портов (мост имеет один процессорный блок), а коммутатор одновременно поддерживает потоки данных между всеми своими портами (каждый порт коммутатора оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры независимо от процессоров других портов). Другими словами, мост передает кадры последовательно, а коммутатор параллельно. За счет этого общая производительность коммутатора намного выше производительности моста. Можно сказать, что коммутаторы — это мосты нового поколения, которые обрабатывают кадры в параллельном режиме.

В последнее время локальные мосты (мосты, которые устанавливают соединение между двумя смежными локальными сетями) полностью вытеснены коммутаторами. Мосты используются только для связи локальных сетей с глобальными, то есть как средства удаленного доступа, поскольку в этом случае необходимость в параллельной передаче между несколькими парами портов не возникает (удаленные мосты).

Коммутаторы подразделяются на:

• коммутаторы на базе коммутационной матрицы;

• коммутаторы с общей шиной;

• коммутаторы с разделяемой памятью;

• комбинированные коммутаторы.

 

1) Коммутаторы на базе коммутационной матрицы обеспечивают основной и самый быстрый способ взаимодействия процессоров каждого порта. Реализация матрицы возможна только для определенного числа портов. Особенностью является технология коммутации физических каналов.

Достоинства и недостатки:

+ высокая скорость коммутации

+ регулярная структура, реализованная на интегральных микросхемах

- сложность наращивания числа коммутируемых портов

- отсутствие буферизации данных внутри коммутационной матрицы

2) Коммутаторы с общей шиной. Здесь процессоры портов связывают высокоскоростной шиной, которая используется в режиме разделения времени. Чтобы шина не блокировала работу коммутатора, ее производительность должна равняться, как минимум, сумме производительностей всех портов коммутатора. Кадр должен передаваться по шине небольшими частями. Шина как и коммутационная матрица не может осуществлять промежуточную буферизацию, но т.к. данные разбиваются на небольшие части, то задержек при доступе к выходным портам в такой схеме нет. Причем здесь работает принцип коммутации пакетов, а не каналов.

3) Коммутаторы с разделяемой памятью. Процессоры входящих портов соединяются с переключаемым входом разделяемой памяти, а выходы этих же процессоров соединяются с переключаемым выходом этой памяти. Менеджер очередей выходящих портов управляет разделяемой памятью и организует несколько очередей данных по одной для каждого выходного порта. Процессоры входных портов передают менеджеру портов запросы на запись данных в очередь того порта, который соответствует адресу назначения пакета. Менеджер по очереди подключает вход памяти к одному из входных портов и переписывает часть данных в очередь определенного выходного порта. По мере заполнения очередей менеджер производит поочередное подключение выходов памяти к выходным портам, после чего данные записываются из очереди в буфер процессора выходного порта и далее передаются в сеть.

4) Комбинированные коммутаторы состоят из модулей с фиксированным количеством портов (от 2 до 12) и высокоскоростной шины. Каждый модуль реализован на специализированной микросхеме, как и сетевые адаптеры, и имеет архитектуру коммутационной матрицы. Если осуществляется передача данных между пользователями, порты которых принадлежат одному модулю, передача данных происходит через коммутационную матрицу этого модуля. Если же порты принадлежат разным модулям, то передача данных или соединения осуществляются по средствам коммутационной матрицы и высокоскоростной шины. В первом случае быстродействие больше.